Nature 视频 | 访问日本“大物理学”实验之二：引力波探测器

来源：Nature自然科研

Nature Video

半个世纪以来，日本处在“大物理学”的前沿，追问着那些关于宇宙运行规则的基础问题。这一量级的问题需要真正大规模的尖端技术。《自然》记者Davide Castelvecchi 旅行穿越日本，在这个系列视频中探访了日本3个旗舰实验的罕见内部景象。

第二部：KAGRA 

世界最先进的引力波探测器

以下是视频文字记录：

“有40瓦：这个激光功率挺大的。”

50多年来，日本一直处于大物理学的前沿，如此宏伟的实验和目标，若非亲眼所见简直难以置信。我叫Davide Castelvecchi ，是《自然》的一名物理学记者。在本系列中，我将探访日本的三项旗舰实验，深入了解日本的大物理学。

KAGRA（神冈引力波探测器）于2012年开建，它的目标只有一个：探测引力波。

引力波就像时空的涟漪。带质量物体移动时会产生引力波，但通常都很小很小。我们尝试捕捉这些时空涟漪，并为此建造了探测器。

最早预言时空涟漪的是爱因斯坦，在一个世纪后的2015年，美国的LIGO探测器首次发现了引力波。但日本的物理学家几十年来也一直在发展这项技术。KAGRA目前是世界上最先进的引力波探测器，它建在神冈小镇旁边的池野山底下。KAGRA是神冈观测站的新增力量，神冈观测站是深埋在山下的一个强大实验基地。

我在KAGRA快要完工时，随三代木伸二参观了一番。在进入KAGRA之前，我们要清洁设备，脱下鞋子。在日本经常要脱鞋，这是进入室内的一个习惯。但是对于KAGRA之类的科学设施来说，这么做还能保持空间的洁净，避免带入可能影响实验的污染物。

中央实验室的这套系统是KAGRA探测器的心脏，里面放满了高耸的真空罐、低温系统和光学硬件，所有这些都用干净的塑料帘遮挡防止灰尘，每个真空罐都置于一间洁净室内。

那么 这些设备是如何测量时空涟漪的呢？一切都从一束激光开始。激光放置在这间隔音室，以隔绝外部声音或噪音的干扰。在隔音室里，有一个专门用于激光的超级洁净室，里面的清洁标准达到了ISO一级，如果室内无人类活动的话。你可以从这里看到激光室，里面产生的激光将被用于探测引力波。

激光会先穿过一系列复杂的镜组，经过巧妙的处理调节后，分成两束，进入KAGRA的双臂，也就是我们接下来要去的地方。从中心位置开始，双臂分别延伸正好3千米。激光行进的管道处于高度真空状态，即使乘坐电瓶车也要十分钟才能走完激光只用几微秒就走完的路，抵达KAGRA的Y臂末端。一旦触及末端 激光碰到镜子后反射回去，碰到另一个镜子再反射回去，如此反复。激光来回反射几百次后，最终两束光重新汇合，进入探测器。两束光的波形将完美对齐，相互抵消，除非其中一个臂被经过的引力波微微拉伸或压缩了。如果发生这种情况 则两束光的波长不再对齐，产生的信号将被探测到。

KAGRA需要能检测到双臂内极其细小的延伸，小到低于一个质子直径，为此 KAGRA的镜子必须保持完全静止。这也是KAGRA建在地下的一部分原因：这样能减少来自地震波活动的干扰。除此之外还有一些令人脑洞大开的技术。

对，这是信号回收镜的悬架系统的设计图。信号回收镜位于这些真空罐内，这块悬置于这块，那块又悬置于这块；这块吊在这块，这块又吊在这块。其它的引力波探测器 如LIGO或意大利的Virgo，也有悬架系统来保持镜组静止，但是KAGRA比它们更进一步 采用了低温系统——先进LIGO和先进Virgo都没有采用KAGRA的技术。

我们的KAGRA项目比先进LIGO和先进Virgo晚了约20年，所以我们采用了最新的技术。给镜组降温可以降低镜子本身微小的热振动，减少激光中的噪声 提高探测器的灵敏度。

为了保持低温 镜子必须采用易于散热的材料——蓝宝石，还要用低温悬架系统支撑低温镜子。黑色的是用于蓝宝石镜的低温悬架系统。

KAGRA的低温系统是东京大学历时20多年开发出来的，代表了KAGRA最大的创新之一，挑战在于保持镜子低温的同时不把振动传回镜子。

我们无法进入工作区里面，因为我们没有达到适当的清洁标准，但是东丸隆之同意将我的手机带进去，这样我们便能近距离看到真空腔的内部，放镜子悬架系统的地方。

KAGRA计划加入LIGO和Virgo于2019年4月开始的最新一轮观测。有了KAGRA的加入，科学家将能探测到更多的引力波事例，更好地互证引力波的来源。

引力波天文学的发展不能只依靠一两个探测器。LIGO的两个探测器和Virgo的一个探测器具有很好的来源定位能力，但它们仍有一些盲点，这取决于来源方位。加上第四个探测器，我们几乎就没有盲点了。

有一个事例是我们所有人都期望能探测到的：我们希望可以足够幸运地遇到超新星事例。它不仅能给我们带来引力波，还有希望带来中微子。但是那要靠运气。我希望它们可以等到KAGRA上线后再出现，所以我希望可以尽快开始，这样我会感觉好一点。

下一集，我们将前往日本的另一端——筑波，去探访KEK（高能加速器研究机构） 它是日本自己的CERN（欧洲核子研究中心）。我们将去探访一个有望为粒子物理学带来巨大突破的实验。

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